ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

ТЕРМОДИНАМИКА СИСТЕМЫ

Термодинамически система может характеризоваться условиями в трещиноватой области, потерями в процессе передачи тепла от тре­щиноватой области к турбине и условиями на входе в турбину. В этой главе описана турбина с заданным условием на входе и различными системами передачи тепла с присущими им термодинамическими по­терями.

Характеристики турбины. Турбина рассматриваемой электростан­ции должна удовлетворять необычным и разным условиям. Источник тепла производит пар различного качества, химического и газового состава, с различным уровнем радиоактивного загрязнения. Хотя под­держание постоянной выходной мощности в течение всего срока служ­бы электростанции весьма желательно, при изменении давления пара и его температуры в широких пределах эта задача, становится труд­норазрешимой. Рассматриваемая турбина сильно отличается по кон­струкции от применяемых в настоящее время на обычных теплоэлект­ростанциях, напоминая скорее турбины, использованные на военных

Кораблях во время второй мировой войны. На фиг. 3.12 схематически показана теплосиловая установка с двумя турбинами, из которых од­на высокого давления, другая низкого давления (в реальном устрой­стве необходимо иметь две турбины низкого давления, чтобы пропус­тить весь пар, проходящий через установку). После частичного расши­рения в турбине высокого давления пар поступает в сепаратор, где от него отделяется почти вся влага, и затем в турбину низкого дав­ления. Дополнительного подогрева пара после сепаратора не произ - - водится, так как это не оправдывает дополнительных затрат.

Турбина высокого давления имеет первую ступень, пропускающую часть пара, и впускные клапаны на байпасных линиях, пропускающие остальную часть пара к первой и второй реактивным группам, а так­же коллекторы пара низкого давления. Первоначально желательно впускать пар с давлением 5,52 МПа и температурой 340 °С (фиг. 3.13) в активную ступень турбины через половину ее фронтальной площа­ди. По мере остывания геотермального источника поток питательной воды необходимо регулировать таким образом, чтобы пар при сниже-

250 ZOO Температура, °С Фиг. 3.13. Характеристики турбины ГеоТЭС [і].

Нии давления и температуры поступал при давлении насыщения 2,93 МПа.

В турбине для пропускания возрастающего объемного расхода пара приспособлен кольцевой вход, представляющий собой дугу ок­ружности, которую можно увеличивать до 360°.

После этого пар начинает поступать в линию, обходящую актив­ную ступень турбины, и это продолжается до тех пор, пока не начнет­ся поступление пара в линию, обходящую первую реактивную группу, по мере понижения давления и температуры пара до 1,55 МПа и 200 °С.

Затем впуск пара осуществляется непосредственно в турбину низ­кого давления, в обход турбины высокого давления и сепаратора. Тур­бина высокого давления отключается, чтобы предотвратить потери на трение и возможные повреждения.

Поступление питательной воды регулируется таким образом, что­бы обеспечить пар с параметрами 0,57 МПа и 200 °С. Чтобы получить возрастающий поток пара, необходимо увеличить давление до 0,62 МПа, поскольку температура непрерывно падает и перегрев уменьшается. После этого давление и температура падают, так же как и выходная мощность, до тех пор, пока не будут достигнуты конечные значения
параметров р = 0^46 МПа, t = 150 °С и W = 150 МВт. На станции не используются подогреватели питательной воды по тем же причинам, что и подогреватели пара, которые не могут оправдать дополнитель­ных капитальных затрат.

Расход пара для станции мощностью 200 МВт вначале составля­ет 275 кг,/с, а в конце цикла при нагрузке 150 МВт он возрастает до 450 кг/с. В отличие от обычной электростанции, где только половина дросселируемого пара поступает в конденсатор (другая половина ис­пользуется для регенеративного подогрева питательной воды), в дан­ной турбине весь пар проходит через последние ступени турбины и поступает в конденсатор. В результате необходимо вдвое увеличивать площадь кольцевого сечения на выходе из турбины.

Предполагается, что геотермальная электростанция строится в удаленном районе, где земли сравнительно дешевы, а строительство таких сооружений, как градирни, дороже, чем обычно. Поэтому для охлаждения конденсата лучше использовать охлаждающий бассейн. В данном исследовании предполагалось, что давление в конденсаторе составляет 0,13 МПа. В реальном устройстве давление в конденсато­ре желательно оптимизировать, принимая во внимание экономический баланс между его влиянием на производство энергии, стоимость кон­денсатора, размеры (стоимость) бассейна для охлаждения конденса­та и требования к воде, которые в данном проекте будут иметь решаю­щее значение.

На фиг. 3.14 представлен типичный график, отражающий влияние, которое оказывает давление в конденсаторе на выходную мощность турбогенератора при заданном давлении на входе в турбину. Посколь­ку, согласно данному проекту, давление на входе изменяется посте­пенно, расчеты усложнятся. Фактическое влияние давления в конден­саторе, по-видимому, будет большим, чем это следует из фиг. 3.14.

На фиг. 3.15 представлено типичное еемейство кривых, описы­вающих связь между давлением на выходе из турбины, в конденсато­ре^ размером охлаждающего бассейна с учетом скорости ветра в качестве одного из параметров. Не показаны, но учитывались при расчетах, влияние относительной влажности, температуры окружаю­щей среды по сухому термометру, облачности, температуры воды в бассейне, температуры на выходе из конденсатора и расхода охлаж­дающей воды. Для данной электростанции рекомендуемые размеры бассейна следующие: 4- 103 м2/МВт или 8-Ю5 м2 со средней глуби-

0 10 20 ЗО ДаВмние на Выходе из турбины, кПа "Фиг. 3.14. Зависимость выходной мощности турбогенератора от давления На выходе из турбины [і].

Размеры бассейна, м*/мВт Фиг. 3.15. Требования к бассейну для охлаждения конденсата [1].

Ной 1,2 м. Ожидается, что потребуется восполнение воды за счет осадков в количестве 180 см в год, или 2,7 • 10е м3. На фигуре не наш­ли отражение другие требования, связанные с работой электростан­ции, например требования к начальному оборудованию паровых скважин.

Циклы с кипящей еодой и с водой, находящейся под давлением. Рассматривались два метода переноса тепла от трещиноватой геотер­мальной породы к турбине: цикл с водой под давлением (ЦВД) и цикл с кипящей водой (ЦКВ). В цикле с водой под давлением вся полость полиостью заполняется водой и поддерживается при высоком давле­нии, чтобы не начиналось кипение. В первичном контуре вода механи­чески прокачивается через трещиноватую область и подается в тепло­обменник (котел), а затем снова возвращается в трещиноватую об­ласть. Во вторичном контуре пар образуется в котле и затем посту­пает в турбину.

В цикле с кипящей водой в трещиноватой области образуется по­верхность раздела пар - вода. Питательная вода подводится к нйжней части трещиноватой области и по мере прохождения через нее прев­ращается в пар. Этот пар подается непосредственно в турбину, а кон­денсат возвращается в трещиноватую область. В течение, эксплуата­ции системы трещиноватая область будет постепенно заполняться водой.

Никлы ЦВД и ЦКВ имеют много общего. Основные потери в обе­их системах связаны с трением при протекании потока в трубопрово­де и в трещиноватой, области. Из-за изменяющихся условий образова­ния пара необходимо рассчитывать. любое устройство на наиболее тя­желый режим работы как в начале, так и в конце эксплуатации; напри­мер, любой паропровод должен быть рассчитан таким образом, что­бы он мог выдерживать высокие давления пара на начальном этапе эксплуатации и был бы способен пропустить боЛыпие расходы пара в конце эксплуатации. Основой для сравнения этих двух систем явля­ются образование накипи и связанная с этим радиоактивность, а также Стоимости насосов, трубопровода и теплообменника. В ЦВД исполь­зуется котел для производства относительно чистого пара, который поступает затем в турбину и конденсатор. Следовательно, могут ис­пользоваться стандартные турбина и конденсатор. Однако для котла потребуются большие допуски на размеры и специальные материалы для компенсации значительного накипеобразования. Кроме того, по­скольку условия дросселирования со временем ухудшаются, количест­во тепла, передаваемое в конденсатор, возрастает к концу цикла в два с половиной раза, что также требует увеличения размеров котла.

Безусловно, энергия, требуемая для прокачки в ЦВД, зависит от размера используемого трубопровода. Любая система должна быть оптимизирована для обеспечения баланса между энергией на прокачку,

Размером трубопровода и размером котла. Для рассматриваемой электростанции энергия на прокачку не должна превышать 10% от полезной мощности электростанции при допустимых размерах трубо­провода.

При использовании LJKB уменьшается количество накипи и радио­активности, которые выносятся на поверхность летучими газами и небольшим количеством других материалов, которые выносятся па­ром или растворены в паре. Примеси, которые достигают поверхности в ЦКВ, должны пройти через турбину и конденсатор поверхностного типа и должны быть возвращены с конденсатом в трещиноватую об­ласть. Первостепенную важность приобретают корродирующее воздей­ствие геотермального пара на турбину и образование накипи.

До дросселирования в турбине необходимо обеспечить довольно тщательную очистку пара. Как и в случае котла в ЦВД, конденсатор в ЦКВ должен быть сконструирован с запасом для обеспечения допол­нительной передачи тепла на конечном этапе эксплуатации. Геотер­мальный пар также может иметь относительно высокое содержание неконденсирующихся газов. При содержании 1 вес.% газа в паре по­требуется увеличение площади поверхности на 50% по сравнению с по­верхностью стандартного конденсатора. Кроме того, потребуется при­менение конструкций из нержавеющей стали и увеличение размеров трубы, учитывающее последующее накипеобразование, с тем, чтобы увеличить периоды действия установки между операциями очистки труб.

В ЦКВ статическое давление в линии с питательной водой обес­печивает давление в системе. Поскольку основные термодинамические потери в ЦКВ являются функцией потерь в трубопроводе, концом экс­плуатации полости считается тот момент, когда давление насыщения пара при температуре на выходе из полости станет равным перепаду давлений в трубопроводе плюс давление на входе в турбину.

Предварительные анализы ЦКВ и ЦВД показывают, что оба они технически возможны. В ЦВД для первичного контура необходимы на­сосы и парогенератор, но, с другой стороны, при использовании этого метода требуется меньшая выхлопная линия и можно работать с чис­тым вторичным контуром, в котором можно использовать недорогой барометрический конденсатор. Экономические преимущества одной системы перед другой не ясны, однако если перенос радиоактивности и кремнезема на поверхности теплообменника в ЦВД окажется значи­тельным, использование ЦКВ позволит уменьшить этот перенос на

Много порядков. Это обусловлено низкой растворимостью всех ве­ществ в паровой фазе. Именно по этой причине ЦКВ был выбран для детального анализа.

Анализ потерь в системе. При проектировании системы транспор­тировки пара для ЦКВ ухудшение его термодинамических характерис­тик в трубах должно компенсироваться применением труб большего диаметра с учетом стоимости. Существуют многочисленные схемы трубопроводов. Простейшей системой является трубопровод с толщи­ной стенки, достаточной для выдерживанйя давления на начальном этапе эксплуатации, и с диаметром, достаточным для поддержания массового расхода в конце эксплуатации без Чрезмерного увеличения перепада давлений. Вместо этой системы можно использовать линию высокого давления и малого диаметра. для работы в начале эксплуа­тации и линию низкого давления и большого диаметра для работы в конце эксплуатации.

Для выполнения детального параметрического анализа различных систем трубопроводов в случае цикла с кипящей водой была составле­на программа для вычислительной машины, с тем чтобы рассчитать давления и температуры в различных точках системы, соответствую­щие данным условиям дросселирования (давление, энтальпия, массо­вый расход) и размерам трубопровода. Перепады давлений в трубопро­водах были рассчитаны с использованием хорошо известного соотно­шения Муди с численным коэффициентом 0,02. Перепад давлений в объеме, от которого отбирается тепло, рассчитывался с помощью за­кона Дарси в предположении цилиндрической геометрии и проницаемос­ти 0,5 дарси. Расчеты были выполнены для интервала параметров, представленных в табл. 3.12.

Влияние диаметра трубопровода на величину энергии, которую можно извлечь из трещиноватой области, показано на фиг. 3.16. Эти кривые были рассчитаны для идентичных условий дросселирования и длин трубопроводов. Для стопроцентного отбора энергии средняя ко­нечная температура трещиноватой породы должна быть равной конеч­ной температуре дросселирования. Безусловно, что при наличии опи­санных выше потерь в системе 100%-ный отбор тепла никогда не бу­дет обеспечен. Эти кривые указывают, что для данного диаметра вы­водящего трубопровода существует максимум извлекаемой энергии. Этот максимум не зависит от диаметра поверхностного трубопровода; при диаметре выводящего трубопровода 900 мм максимум соответству­ет диаметру трубопровода на поверхности свыше 1350 мм. Подобное

14 Зак. 14650

Табпица 3.12

Интервалы параметров, для которых были выполнены расчеты

Пвраметры

Условия дросселирования

Давление, МПа 15,8 - 0,34

Энтвльпия, МДж/кг 3,1 -2,72

Массовый расход, кг/ с 252 - 504 Трубопровод на поверхности

Длина, км 0,61 - 9,65

Диаметр, м 0,46 - 2,44 Вертикальный трубопровод

Длина, км 2,6 - 2,8

Диаметр, м 0,61 — 1,83

0 0,5 1,0 1,5 2,0 Диаметр трубопровода, проложенного по поверхности, м

Фиг. 3.16. Доля извлекаемой энергии в зависимости от диаметра трубо­провода, проложенного по поверхности [і]. Диаметр выводящего трубопровода: 1 — 610 мм; 2 — 915 мм; 3 — 1220 мм; 4 - 1525 мм; 5 - 1830 мм.

Фиг. 3.17. Доля извлекаемой энергии в зависимости от давления дроссе­лирования [і].

Этому семейство кривых можно получить для каждого набора условий дросселирования и длин трубопроводов. Эти кривые дают необходимую информацию для выбора системы трубопроводов, обеспечивающей ми­нимальные энергетические затраты.

На фиг. 3.17 представлены относительные значения энергии, из­влекаемой из полости на разных стадиях работы турбины. Эти две кривые были рассчитаны для идентичных условий дросселирования и длин трубопроводов. Кривая, соответствующая диаметру 460 мм на фиг. 3.17, заканчивается при давлении дросселирования 2,5 МПа и значении отбираемой энергии 33,5%. Физически это означает, что при данных массовых расходах и длинах трубопровода, которые использо­вались в расчетах, нельзя получить давления дросселирования менее 2,2 МПа из-за того, что-в трубопроводе диаметром 460 мм слишком велик перепад давлений, обусловленный трением. ^Отметим, что с уменьшением давления дросселирования массовый расход должен уве­личиться, как это показано на фиг. 3.13.)

Используя трубопровод диаметром 1370 мм можно достичь ко­нечного давления дросселирования 0,48 МПа. Вертикальный отрезок

Кривой для диаметра трубопровода 1370 мм представляет собой ко­нечную фазу эксплуатации электростанции. Во время этого последне­го периода используется ~15% энергии, извлекаемой из трещинова­той области.

Потери, связанные с сооружением электростанции до взрыва. Одним из основных преимуществ сооружения электростанции до взры­ва является то, что турбогенераторная установка может быть пере­двинута непосредственно к эксплуатационной скважине, пробуренной в полость, что позволит свести к минимуму термодинамические поте­ри и стоимость сооружения трубопровода. Для рассматриваемой элект­ростанции приемлемым является расстояние 600 м.

Общее количество энергии, которое можно извлечь в результате взрыва данной системы зарядов за период эксплуатации данного гео­термального источника, можно оценить по среднемассовой температу­ре теплоносителя в конце эксплуатации. Работа турбины прекращает­ся при достижении следующих параметров пара на входе: 0,483 МПа

СреднвиассоВая температура на входе 8 выводящий трубопровод, °С Фиг. 3.18. Среднемассовая температура теплоносителя для различных Систем трубопроводов [1]. Длина трубопровода, проложенного по поверхности, 600 м; условия на входе в турбину: 0,493 МПа и 150 °С; диаметры выводящего трубопровода: 1—1833 мм; 2 - 1525 мм; 3 - 1220 мм; 4 - 915 мм; 5 -610 мм.

И 150 °С. Температуры породы в источнике в конце его эксплуатации представлены на фиг. 3.18. Если принять, что среднемассовая темпе­ратура рабочей жидкости прямо пропорциональна средней температу­ре трещиноватой породы, то, согласно фиг. 3.18, при более низких температурах из полости извлекается большее количество энергии. Как можно было ожидать, чем больше диаметр выводящих трубопро­водов и трубопроводов на поверхности, тем ниже конечная температу­ра, при которой из полости прекращается извлечение тепла, и, следо­вательно, тем больше количество извлеченного тецла.

Из-за потерь в трубопроводе температура теплоносителя на вхо­де в выводящий трубопровод отличается от температуры на входе в турбину.

Суммарные потери можно разделить на потери в трубопроводе,- находящемся на поверхности, и потери в выводящем трубопроводе. Следовательно, при данном диаметре выводящего трубопровода уве­личение размера трубопровода, расположенного на поверхности, сверх того размера, при котором потери пренебрежимо малы, не позволит извлекать энергию при более низких температурах источника (фіг. 3.18). Следовательно, кривые асимптотически приближаются к тем темпера­турам источника, которые дают представление только о потерях в вы­водящем трубопроводе.

Вместо того чтобы для каждого размера выводящего трубопрово­да подбирать подходящий диаметр трубопровода на поверхности, ока­залось возможным найти разумные соотношения, выбирая диаметр трубопровода на поверхности таким, чтобы температура источника от­личалась не более чем на 3 °С от асимптотической температуры ис­точника. Такое соотношение показано на фиг. 3.19.

Каждой системе трубопроводов, представленных на фиг. 3.19, со­ответствует определенная конечная температура источника. Это в свою очередь означает, что с помощью каждой системы из геотер­мального источника можно извлечь свое количество тепла. Если пред­положить для сравнения, что одна единица энергии извлекается при снижении температуры породы от 350 до 150 °С, то относительное ко­личество извлекаемой энергии с помощью различных систем трубо­проводов можно получить из фиг. 3.18 и 3.19. Результаты представ­лены на фиг. 3.20, где приведены рабочие характеристики различных систем трубопроводов. Наряду с общим запасом энергии и стоимостью систем трубопроводов, а также других расходов, связанных с разра­боткой поля, эти характеристики являются основой для выбора систе­мы трубопроводов в рассматриваемом проекте.

0,5 1,0 Диаметр выводящего Mpi

Ф и г. 3.19. Оптимальный диаметр трубопровода, проложенного по поверх­ности, в зависимости от диаметра выводящего трубопровода [і]. Дпина трубопровода, проложенного по поверхности, 600 м; условии на входе в турбину: 0,483 МПа и 150 °С.

Фиг. 3.20. Доля извлекаемой энергии в зависимости от диаметра выводя­щего трубопровода [і]. Длина трубопровода, проложенного по поверхности 600 м; условия на входе в турбину: 0,483 МПа и 150 °С.

Потери, связанные с конструкцией сейсмостойкой станции. Тер­модинамические характеристики системы преобразования энергии для сейсмостойкой конструкции электростанции такие же, как и для рассматриваемой геотермальной электростанции, которую можно счи­тать стандартной, но потери в трубопроводах в течение последних 20 лет эксплуатации для размещенной в отдалении сейсмически уси­ленной электростанции резко отличны. В течение первых 10 л^т экс­плуатации электростанции тепло передается на расстояние 600 м по трубопроводу, проложенному по поверхности, и потери в нем будут аналогичны потерям в рассмотренном выше случае строительства до взрыва.

Рассмотрим теперь термодинамические характеристики для не­скольких комбинаций диаметров выводящего (вертикального) трубо­провода и трубопровода, проложенного по поверхности, по которым пар из полости поступает к электростанции, расположенной на рас­стоянии 6,4 км. Для облегчения выбора комбинации диаметров выво­дящего трубопровода и трубопровода, проложенного по поверхности, оценивается температура основной массы теплоносителя на выходе из источника при условиях на входе в турбину в конце ее эксплуата­ции. По этой температуре можно определить относительное количе­ство энергии, извлекаемой из данного геотермального поля с помо­щью различных систем трубопроводов. Необходима некоторая коррек­тировка методов, используемых при расчете строительства электро­станции до взрыва.

В предыдущем анализе диаметр трубопровода, проложенного по поверхности, был произвольно увеличен, так что среднемассовая тем­пература теплоносителя на выходе из источника отличалась от тем­пературы, достигаемой при использовании только выводящего трубо­провода, не более чем на 3 °С. Это позволило получить соотношение между диаметром трубопровода на поверхности и диаметром выводя­щего трубопровода, которое упростило последующие расчеты. Для каждого случая, с учетом стоимости трубопровода большого диамет­ра длиной 6,4 км, необходимо оптимизировать диаметр трубопровода, проложенного по поверхности. На фиг. 3.21 показано относительное количество энергии, извлекаемое различными системами трубопро­водов, рассмотренных в расчетах по оптимизации конструкции элект­ростанции, построенной после взрыва. Наряду с общим запасом энер­гии (EQ ) и стоимостью различных систем трубопроводов, а также

1,0

^ 0,8

0,3 0,6

Диаметр трубопровода,

Проложенного по поверхности, м

Фиг. 3.21. Доля извлекаемой энергии [і]. Длина трубопровода, проломанного по поверхности, 6,4 км; условия на вхо­де в турбину: 0,483 МПа и 150 °С; диаметры выводящего трубопровода: 1 - 1830 мм; 2 - 1525 мм; 3- 1220 мм; 4-915 мм.

Других расходов, связанных с разработкой поля, эти данные являют­ся основой для выбора системы.